指纹识别控制系统设计

摘要

指纹识别技术是以数字图像处理技术为基础，而逐步发展起来的。相对于密码、各种证件等传统身份认证技术和诸如语音、虹膜等其它生物认证技术而言，指纹识别是一种更为理想的身份认证技术。使用指纹识别具有许多优点，例如：每个人的指纹都不相同，极难进行复制或被盗用；指纹比较固定，不会随着年龄的增长或健康程度的变化而变化；最重要的在于指纹图像便于获取，易于开发识别系统，具有很高的实用性和可行性。现代电子集成制造技术使得我们可以制造相当小的指纹图像读取设备，同时飞速发展的个人计算机运算速度提供了在微机甚至单片机上可以进行两个指纹的比对运算的可能。目前的指纹识别算法已经非常成熟，完全可以用在各种安全检测设备中，并以此控制各种东西。现在，指纹识别已经应用在考勤、门禁、保险箱柜等领域，相信，随着指纹识别技术的完善，还会广泛的应用在身份证，机动车，家居等更多的领域。

本设计主要用LTT－C500指纹传感器和ARM7构成指纹识别模块，完成指纹识别的算法，并把结果通过串口送出来。控制部分的核心是AT89S52，它完成与指纹识别模块、PC 机的通信，并控制各种外围电路的工作（如时钟芯片PCF8563、E2PROM等）。本设计完成的功能是门禁，它适用于公用场所和私人住所的门禁功能，并且能记录开关门记录。

关键字：LTT－C500；ARM7；AT89S52；步进电机；串口通信

Fingerprint Identification Control System

Abstract

Fingerprint Identification technology is gradually developing with the digital image processing technology. Comparing with the password or other traditional documents such as identity authentication technology and voice, iris and other biological authentication technology, Fingerprint Identification is a better identity authentication technology. There are many a dvantages using Fingerprint Identification. For example: every person’s fingerprints are not the same that it is very difficult to copy or embezzled; Fingerprint is not change with the increasing age or the health status; The most important is that it is easy to get the fingerprint image and make a identification system, it is of high relevance and feasibility. It is possible to compare two fingerprints with the electronic integrated manufacturing technology creating a small image of the fingerprint reading equipment and the great development of the personal computer provides a faster computer or even in a MCU. The fingerprint identification algorithm is very mature, it is able to be used in a variety of security detection devices, and to control many kinds of things. Now the Fingerprint Identification technology has been used in attendance, access control, insurance, and other realm. I believe it will be widely used in the ID card, automobile, home and other realm with the improvement of fingerprint identification technology.

The design uses LTT-C500 fingerprint sensor and ARM7 to build the fingerprint identification module, and does the fingerprint identification algorithms then sends the result using the serial port. Control part mainly uses the AT89S52 to complete communications with the fingerprint identification module and PC, and control external circuits(such as PCF8563, E2PROM, etc.). The completed design is the function of access control, it applies in public areas and private residences of the access control function, and can record switch gate record.

Keywords：LTT-C500; ARM7; AT89S52; step electromotor; the serial communication

目录

摘要........................................................................ I Abstract ................................................................... II 第一章绪论.. (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2指纹识别的发展及现状 (1)

1.3指纹识别的原理和特点 (2)

1.3.1指纹识别的原理 (2)

1.3.2指纹识别的特点 (3)

1.4 本设计研究的主要内容 (3)

第二章系统总体结构 (4)

2.1 系统结构 (4)

2.1.1 指纹识别模块 (4)

2.1.2 控制模块 (4)

2.1.3 USB模块 (5)

2.2系统功能 (5)

2.2.1 指纹识别模块功能 (5)

2.2.2控制模块功能 (6)

2.2.3 PC机功能 (7)

第三章系统硬件设计 (8)

3.1 电源电路 (8)

3.2 指纹识别模块 (8)

3.2.1 指纹传感器 (8)

3.2.2 LPC2136 ARM7单片机 (9)

3.3 控制模块 (11)

3.3.1 AT89S52及其复位电路 (11)

3.3.2 4*3按键 (12)

3.3.3 串口 (12)

3.3.4 时钟芯片PCF8563 (13)

3.3.5 E2PROM AT24C64 (13)

3.3.6 步进电机驱动电路 (14)

3.3.7 RT－T12864E LCD模块 (14)

3.3.8 USB接口 (15)

3.4 USB模块 (15)

第四章系统软件设计 (17)

4.1 μC/OS－II实时嵌入式系统简介 (17)

4.2 指纹识别算法设计 (18)

4.2.1 图像增强 (18)

4.2.2 二值化 (19)

4.2.3 细化 (20)

4.2.4 特征提取 (23)

4.2.5 特征匹配 (26)

4.3 控制模块 (33)

4.3.1 4*3按键 (33)

4.3.2串口（接收指纹识别模块输出的结果） (34)

4.3.3 时钟芯片PCF8563 (35)

4.3.4 E2PROM AT24C64 (36)

4.3.5 步进电机的驱动 (38)

4.3.6 RT－T12864E LCD模块驱动 (39)

4.3.7 菜单设计 (41)

4.3.8 USB固件编程 (42)

4.4 上位机的编程 (45)

第五章结束语 (46)

附录电路的PCB图 (47)

参考文献： (48)

第一章绪论

1.1 课题背景

随着现代经济和社会的不断发展，越来越多的场合需要身份的确认。而传统的身份识别技术已经远远不能满足这种要求。基于人的身体特征具有不可复制的特点，人们开始把目光转向了生物识别技术。

指纹识别以其独特的特点，成为了众多生物识别技术中备受青睐的一个。现在国内外指纹识别的技术基本上都是采用基于细节点特征的指纹识别技术，从研究角度来说，国内外的差距并不明显。但是国内对于指纹识别技术主要侧重于研究角度，很长一段时间没有在实际应用中实践，所以这些技术和实际的市场需求间还有不少差距。而实际从事指纹应用的公司没有自己的技术，绝大多数都是使用国外的指纹识别算法。而且大多的指纹识别产品的厂家都采取仿造国外产品的模式，其核心构件“指纹识别模块”普遍依靠国外进口。因此，开发出具有自己知识产权的指纹识别算法和指纹识别模块将会有很好的市场前景。

1.2指纹识别的发展及现状

公元前7000年到6000年以前，指纹作为鉴别身份的工具已经在古代中国和古叙利亚开始应用。文物告诉我们，一些粘土陶器上留有陶艺匠人的指纹，古代中国的一些文件上印有起草者的大拇指指纹，古叙利亚的一些远古房屋的城墙留有砖匠的指纹等。由此可见，指纹的一些特征在当时已经被人们认识和接受。

19世纪初，科学研究发现了人类指纹的两个重要特征，一是两个不同手指的指纹纹脊的式样不同，另外一个是指纹纹脊的式样终生不变，科学上称之为指纹的唯一性和不变性。这个研究成果使得指纹在犯罪事件的鉴别中得以正式应用。1896年阿根廷首次应用，然后是1901年的苏格兰，20世纪初的其他国家也相继应用到罪案的鉴别中。20世纪60年代，由于计算机可以有效地处理图形，人们开始着手研究利用计算机来处理指纹。从此自动指纹识别系统(AFIS，Auto Fingerprint Identification System)在法律实施方面的研究和应用在世界许多国家展开。

到了20世纪80年代，个人电脑、光学扫描等技术革新使得他们作为指纹取像的工具成为现实，从而使指纹识别可以在其他领域中得以应用。随着取像设备的引入及其飞速发展，生物指纹识别技术的逐渐成熟，可靠的比对算法的发现都为指纹识别技术提供了更广阔的舞台。

生物识别技术被广泛应用意味着它能在影响亿万人的日常生活的各个地方使用。通过取代个人识别码和口令，生物识别技术可以阻止非授权的“访问”，可以防止盗用ATM、蜂窝电话、智能卡、桌面PC、工作站及其计算机网络；在通过电话、网络进行金融交易时进行身份认证；在建筑物或工作场所生物识别技术可以取代钥匙、证件、图章等。生物识别技术的飞速发展及其广泛应用将开创个人身份鉴别的新时代。

指纹识别作为科技识别技术已经有很长的历史了，基于指纹的科技识别技术在美国和西欧已使用了一百多年，而最早用于商业的指纹设备亦始于20世纪70年代。20世纪60年代到70年代，指纹识别技术发生新突破。随着个人计算机和光学扫描技术的发展，FBI 开始使用一种自动识别指纹的设备，至70年代末期，开始在美国大范围内推广使用。20世纪90年代末期，价格较低的指纹采集器、快速、匹配的算法发展为指纹技术用于个人

身份识别提供了广阔的市场空间，不过目前用于数字交易系统的指纹技术与过去的AFIS 有着根本的区别。

我们可能会丢失证件或遗忘密码，但不太可能“丢失”或“遗忘”自己的手指。起始于本世纪70年代的生物测量学代表了最安全可靠的个人身份鉴别方法。人的每个手指隐藏有80到100个独立的特征，这些特征经过编码，可以以“生物代码”形式储存在计算机里。几十年来，指纹识别技术一直在公安执法部门中使用，成为一种较成熟的犯罪识别方式。目前，随着生物测量技术的发展，其市场成本显著下降，进入民用已成为可能。

人类人口按60亿计算，则需要300年才可能出现重复的指纹，概率几乎为零。一个人在母腹7个月时指纹就已经定型，随着年龄的增长指纹一直保持不变；如果手指没有损及真皮组织，即使指纹受到破坏，也会很快复原。因此，指纹以其不变性，在身份识别领域中一直是最为可靠的手段，并为各国法律所广泛承认。指纹鉴定和识别是建立在独一无二且与生俱来的指纹之上的强大技术，即使是同胞兄弟也有独特的指纹。找到两个完全相同的指纹几乎是不可能的，而且只要部分指纹就可以进行确定的鉴别。尖端科技保证了指纹锁的安全性。

Bill Gates曾做过这样的断言：利用人的生理特征的生物识别技术，例如指纹等来识别个人的身份，将成为今后几年IT产业的重要革新。近年来，越来越多指纹产品的出现，如：指纹门锁、指纹鼠标、指纹ATM提款机、指纹蜂窝电话、指纹门禁控制系统等等，不胜枚举。这些产品的共同特征是将指纹技术结合在产品中，使产品具有目前最先进的科技技术。基于目前指纹技术自身的局限性，在指纹家族众多产品中，指纹门锁因技术稳定、安全可靠性好、有效地满足人们出入无需带钥匙、卡、记住密码等便利而备受瞩目。指纹门锁也可与感应卡技术同时使用，进一步提高安全指标。

目前人体特征识别技术市场上占有率最高的是指纹机和手形机，这两种识别方法也是目前技术发展中最成熟的。IBG(International Biometric Group)在2000年生物识别技术市场的分析报告中得出1999年度各种生物识别技术产品利润的市场占有率为：指纹识别34%，手形识别25%，面部识别16%，发音识别11%，虹膜识别11%和签名识别3%。

美国生物认证市场到2005年则将达到19亿美元，指纹识别将占40%，虹膜识别将占10%左右。美国生物认证市场在未来几年中仍然保持高速增长的趋势，指纹保持在30%左右，虹膜将保持在50%左右。另据一家全球权威市场调研机构对中国市场的预测：中国指纹识别2005年市场收入突破10亿元，保持50%左右的增长速度，2007年将突破35亿元。

1.3指纹识别的原理和特点

1.3.1指纹识别的原理

指纹其实是比较复杂的。与人工处理不同，自动指纹识别技术并不直接存储指纹的图像。多年来在各个公司及其研究机构产生了许多数字化算法。但指纹识别算法最终都归结为在指纹图像上找到并比对指纹的特征。通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。

指纹的特征：指纹具有两类特征，即总体特征和局部特征。在考虑局部特征的情况下，英国学者E.R.Herry认为，只要比对13个特征点重合，就可以确认为是同一个指纹。

1.总体特征：是指那些用人眼直接就可以观察到的特征。如纹形：环型(loop)、弓型(arch)、螺旋型(whorl)；

2.局部特征：局部特征是指指纹上的节点的特征，这些具有某种特征的节点称为特征点。两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的局部特征——特征点，却不可能完全

相同。

1.3.2指纹识别的特点

相对于其它身份认证技术，自动指纹识别技术是一种更为理想的身份确认技术，用自动指纹识别不仅具有许多独到的信息安全优点，更重要的是还具有很高的实用性、可行性。具体体现在以下几个方面：

1.每个人的指纹是独一无二的，两人之间不存在着相同的手指指纹。

2.每个人的指纹是相当固定的，不会随着人的年龄的增长或身体健康

程度的变化而变化，但是人的声音等却存在较大变化的可能。

3.指纹样本便于获取，易于开发识别系统，实用性强。目前已有标准的指纹样本库，方便了识别系统的软件开发；另外，识别系统中完成指纹采样功能的硬件部分也较易实现。而对视网膜则难于采样，也无标准的视网膜样本库供系统软件开发使用，这就导致视网膜识别系统难以开发，可行性较低。

4.一个人的十指指纹皆不相同，这样可以方便地利用多个指纹构成多

1.4 本设计研究的主要内容

本设计研究的主要内容有三个部分。

第一部分就是研究指纹识别的算法，并利用μC/OS－II嵌入式做出来，并把结果通过串口传送出来。

第二部分就是利用AT89S52做控制模块，对指纹模块的结果进行处理，并控制各种外围电路。

第三部分就是利用PDIUSBD12与PC机进行通信。可以通过PC机对控制模块进行操作。

第二章系统总体结构

2.1 系统结构

本文的系统主要有三个部分构成：指纹识别模块；控制模块；USB模块。它们的结构如下图所示：

图2-1 总系统结构

2.1.1 指纹识别模块

指纹识别模块主要由LPC2136单片机和LTT－C500构成，它是用μC/OS－II内核做的，完成指纹识别算法，并把结果送到串口给51单片机控制模块使用。

图2-1-1 指纹识别模块结构

2.1.2 控制模块

控制模块是由51单片机AT89S52和外围电路构成，外围电路主要由LCD模块、步进电机、时钟芯片PCF8563、语音模块、E2PROM24C64、键盘等构成。

图2-1-2 控制模块结构

2.1.3 USB模块

USB模块的作用是完成控制模块和PC机的通讯，本设计采用的是PDIUSBD12芯片，它完全符合USB1.1的标准，而且设计起来也不会非常的难。这个模块是由PDIUSBD12和一些外围电路构成的。

图2-1-3 USB模块结构

2.2系统功能

2.2.1 指纹识别模块功能

模块共实现：指纹保护模式、指纹保护解除模式、指纹注册模式、指纹删除模式、指纹保护旁路模式。模块通过一个红、绿、蓝三色发光LED和一个蜂鸣器作为人机界面，在不同的模式下，以不同的方式提示用户操作。

指纹保护模式：当模块处于该模式，管理员或者使用者的指纹识别通过后，模块进入指纹保护解除模式；指纹识别不通过，则一直处于该模式。指纹识别时，如果指纹识别通过，则会通过LED常亮绿灯、蜂鸣器0.25s鸣0.25s停重复两次来提示，循环直到手指离开传感器；如果指纹识别不通过，则会通过LED常亮红灯、蜂鸣器0.15s鸣0.15s停重复三次来提示，循环直到手指离开传感器。

在保护状态下，模块串口会以0.5秒间隔发送0x0F数据。

指纹保护解除模式：管理员或者使用者的指纹识别通过后，则模块进入该模式。但是30s后，模块将回到指纹保护模式，需要重新通过指纹识别才能再次进入指纹保护解除模式。指纹保护解除模式下，如果管理者将手指按在指纹传感器上超过3s并在6s以前拿开手指（3～6s间，蜂鸣器会以高频、0.25s鸣0.25s停、循环提示使用者），则模块进入指纹保护旁路状态；如果管理者将手指按在指纹传感器上超过6s并在9s以前拿开手指（6～9s 间，蜂鸣器会以中频、0.25s鸣0.25s停、循环提示使用者），则模块进入指纹注册状态；如果管理者将手指按在指纹传感器上超过9s并在12s以前拿开手指（9～12s间，蜂鸣器会以低频、0.25s鸣0.25s停、循环提示使用者），则模块进入指纹删除状态；如果管理者将手指按在指纹传感器上超过12s，则又会回到指纹保护解除模式。如果是使用者（非管理员）的手指，按在指纹传感器上超过3s并在6s以前拿开手指（3～6s间，蜂鸣器会以高频、0.25s鸣0.25s停、循环提示使用者），则模块进入指纹保护旁路状态；如果使用者手指按在指纹传感器上超过6s，则又会回到指纹保护解除模式。需要强调的是，指纹保护旁路状态、指纹注册状态、指纹删除状态只有管理员的指纹才能进入，使用者只能进入指纹保护旁路状态。

在保护解除状态下，模块串口会以0.5秒间隔发送0x55数据。

指纹注册模式：在该模式下，可以注册指纹。模块默认注册的前10个指纹为管理者指纹，后54个为使用者指纹。管理者指纹被识别后，可以进入指纹保护解除模式、指纹保护旁路模式、指纹注册模式、指纹删除模式；使用者指纹被识别后，只能进入指纹保护解除模式和指纹保护旁路模式。如果指纹总数已经达到64个，仍然允许继续注册指纹，但是新

注册的指纹会覆盖第64个，即最后一个指纹。在一个指纹要被注册，需要采集3次该指纹的有效数据，蓝色LED用来表示采集到第几次有效指纹：1s亮1s灭循环表示准备采集第一次有效指纹；0.5s亮0.5s灭循环表示准备采集第二次有效指纹；0.25s亮0.25s灭循环表示准备采集第三次有效指纹。每次采集时，如果指纹有效，则会通过LED常亮绿灯、蜂鸣器0.25s鸣0.25s停循环2次来提示，直到手指离开传感器；如果指纹无效，则会通过LED常亮红灯、蜂鸣器0.15s鸣0.15s停循环3次来提示，直到手指离开传感器。在有效指纹采集过程中，如果连续采集到无效指纹（指纹受损、脱皮等原因）5次，或者10s内都没有手指按在传感器上，模块将自动回到指纹保护模式；注册成功的指纹被保存在已经注册指纹队列的最后一个。注册成功后模块将自动进入指纹保护解除模式，等待30s没有电门信号输入情况下，将自动进入指纹保护模式。如果想再注册其他指纹，必须通过指纹识别，从指纹保护模式进入指纹保护解除模式；再通过管理员指纹识别后6s～9s间拿开手指，重新进入指纹注册状态。前10个管理员指纹有管理功能，尤其重要。如果是在私人使用时，建议主人从左、右双手的食指、中指中挑选没有划伤、没有脱皮的10枚指纹注册成管理员指纹；如果用在公共场所，建议由1～2名有管理权限的管理者各用1～2个没有划伤、没有脱皮的指纹注册成管理员指纹。指纹注册成功后，蜂鸣器长鸣1s，绿灯常亮。

在注册状态下，模块串口会以0.5秒间隔发送0x55数据，在注册模式下，如果执行特定操作（在特定操作过程中，将无法发送正常的串口数据），会首先发送暂停标志数据：0xA0，特定操作完成后，会自动重新开始发送正常数据(0x55或0x0F)。

指纹删除模式：在该模式下，已经注册的指纹队列的最后一个被删除。如果指纹队列已经删除空，则模块将回到出厂状态；如果指纹队列没有被删除空，则模块自动进入到指纹保护模式。如果想再删除其他指纹，必须通过指纹识别，从指纹保护模式进入指纹保护解除模式；再通过管理员指纹识别后9s～12s间拿开手指，重新进入指纹删除状态，删除成功后，蜂鸣器长鸣1s，绿灯常亮。

在删除状态下，模块串口会以0.5秒间隔发送0x55数据，在删除模式下，如果执行特定操作（在特定操作过程中，将无法发送正常的串口数据），会首先发送暂停标志数据：0xA0，特定操作完成后，会自动重新开始发送正常数据(0x55或0x0F)。

指纹保护旁路模式：在某些情况下，希望把指纹识别功能屏蔽掉，这个时候可以进入指纹保护旁路模式。进入该模式后，除非管理员或者使用者通过指纹识别解除指纹保护旁路模式，否则模块不会退出该模式。在该模式下，如果指纹识别通过，则会通过LED常亮绿灯、蜂鸣器0.25s鸣0.25s停循环2次来提示，直到手指离开传感器，模块自动进入指纹保护解除模式；如果指纹识别不通过，则会通过LED常亮红灯、蜂鸣器0.15s鸣0.15s停循环3次来提示，直到手指离开传感器，模块将继续处于指纹保护旁路模式。

在旁路状态下，模块串口会以0.5秒间隔发送数据0x55。

2.2.2控制模块功能

该部分用键盘控制各个部分协调工作，并完成菜单的设计。